工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉李鹏郭奇峰蔡美峰任奋华张杰 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui.LI Peng,GUO Qi-feng,CAI Mei-feng.REN Fen-hua.ZHANG Jie 引用本文： 吴星辉，李鹏.郭奇峰.蔡美峰，任奋华，张杰.热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展.工程科学学报，优先发表.do: 10.13374j.issn2095-9389.2020.12.23.007 WU Xing-hui,LI Peng.GUO Qi-feng,CAI Mei-feng,REN Fen-hua,ZHANG Jie.Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.23.007 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.12.23.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报.2019,41(11)：1374htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004 THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling 工程科学学报.2020,42(11)：1389htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.003 高温应变片的热输出耦合特性 Thermal output coupling characteristics of high-temperature strain gauges 工程科学学报.2018.40(9：外1131 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.09.015 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报.2018,40(11：1309htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报.2020,42(6：715 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.11.05.004 THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling 工程科学学报.2021,43(1)：47 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005
热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉 李鹏 郭奇峰 蔡美峰 任奋华 张杰 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui, LI Peng, GUO Qi-feng, CAI Mei-feng, REN Fen-hua, ZHANG Jie 引用本文: 吴星辉, 李鹏, 郭奇峰, 蔡美峰, 任奋华, 张杰. 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007 WU Xing-hui, LI Peng, GUO Qi-feng, CAI Mei-feng, REN Fen-hua, ZHANG Jie. Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.23.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报. 2019, 41(11): 1374 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004 THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling 工程科学学报. 2020, 42(11): 1389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003 高温应变片的热输出耦合特性 Thermal output coupling characteristics of high-temperature strain gauges 工程科学学报. 2018, 40(9): 1131 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.015 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报. 2018, 40(11): 1309 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报. 2020, 42(6): 715 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004 THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling 工程科学学报. 2021, 43(1): 47 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005
工程科学学报.第44卷，第X期：1-13.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-13,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007;http://cje.ustb.edu.cn 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉2，李鹏2，郭奇峰2)，蔡美峰1,2)四，任奋华12，张杰2) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)城市与地下空间工程北京市重点实验室（北京科技大学），北京100083 ☒通信作者，E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn 摘要为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制，对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体 工程的安全性和稳定性做出合理性评价，本文通过分析整理国内外文献，系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进 展与成果.简述了高温作用下岩石的物理力学特性，侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律.重点分析了深部 岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射(AE)、超声波(UT)、X射线分析 (XRD)、偏光显微镜(PM)、扫描电子显微镜(SEM)、核成像技术(NMR)以及CT扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分 析中的应用.归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件，简略阐述了温度作用下岩石力学参 量变异性特征.最后，指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方 向，即多尺度、多场-相探究岩石热损伤机理，宏-细-微观角度系统分析岩石热损伤演化规律 关键词高温岩体；热损伤：破坏机制；耦合模型：热破裂 分类号TU452 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui2,LI Peng2),GUO Qi-feng2,CAl Mei-feng2,REN Fen-hua2,ZHANG Jie2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering(University of Science and Technology Beijing),Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT With the depletion of the earth's shallow resources,the exploration of deep rock engineering has become a research hotspot.The research mostly focuses on the influence of high temperature on the properties of deep rocks.This study aims to understand the thermal damage evolution mechanism in a rock under high temperature and make a reasonable evaluation on the safety and stability of underground rock engineering.such as ultra-deep well drilling,deep ground laboratory,nuclear waste disposal,and geothermal resource development.Based on the analysis and review of domestic and foreign literature,the authors systematically reviewed the research progress and development of deformation and failure of the high-temperature rock masses and temperature-varying rock masses under temperature effect.The physical and mechanical properties of rocks after being subjected to high temperature and under real-time high temperature were briefly described.The changes with temperature in the physical and mechanical parameters of deep rocks were summarized.The latest research on the deformation and failure mechanism under high temperature was analyzed,and the applications of advanced auxiliary test technologies,such as acoustic emission (AE),ultrasonic testing (UT),X-ray diffraction (XRD),polarizing microscope(PM),scanning electron microscope(SEM),nuclear magnetic resonance(NMR),and computed tomography(CT)scanning 收稿日期：2020-12-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52074020)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP20-041A1):国家重点研发计划 资助项目(2017YFC0804103)
热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉1,2)，李 鹏1,2)，郭奇峰1,2)，蔡美峰1,2) 苣，任奋华1,2)，张 杰1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 城市与地下空间工程北京市重点实验室（北京科技大学），北京 100083 苣通信作者，E-mail：caimeifeng@ustb.edu.cn 摘 要 为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制，对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体 工程的安全性和稳定性做出合理性评价，本文通过分析整理国内外文献，系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进 展与成果. 简述了高温作用下岩石的物理力学特性，侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律. 重点分析了深部 岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射 (AE)、超声波 (UT)、X 射线分析 （XRD）、偏光显微镜 (PM)、扫描电子显微镜 (SEM)、核成像技术（NMR）以及 CT 扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分 析中的应用. 归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件，简略阐述了温度作用下岩石力学参 量变异性特征. 最后，指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方 向，即多尺度、多场−相探究岩石热损伤机理，宏−细−微观角度系统分析岩石热损伤演化规律. 关键词 高温岩体；热损伤；破坏机制；耦合模型；热破裂 分类号 TU452 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui1,2) ，LI Peng1,2) ，GUO Qi-feng1,2) ，CAI Mei-feng1,2) 苣 ，REN Fen-hua1,2) ，ZHANG Jie1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering (University of Science and Technology Beijing), Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT With the depletion of the earth ’s shallow resources, the exploration of deep rock engineering has become a research hotspot. The research mostly focuses on the influence of high temperature on the properties of deep rocks. This study aims to understand the thermal damage evolution mechanism in a rock under high temperature and make a reasonable evaluation on the safety and stability of underground rock engineering, such as ultra-deep well drilling, deep ground laboratory, nuclear waste disposal, and geothermal resource development. Based on the analysis and review of domestic and foreign literature, the authors systematically reviewed the research progress and development of deformation and failure of the high-temperature rock masses and temperature-varying rock masses under temperature effect. The physical and mechanical properties of rocks after being subjected to high temperature and under real-time high temperature were briefly described. The changes with temperature in the physical and mechanical parameters of deep rocks were summarized. The latest research on the deformation and failure mechanism under high temperature was analyzed, and the applications of advanced auxiliary test technologies, such as acoustic emission (AE), ultrasonic testing (UT), X-ray diffraction (XRD), polarizing microscope (PM), scanning electron microscope (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR), and computed tomography (CT) scanning 收稿日期: 2020−12−23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52074020）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-20-041A1）；国家重点研发计划 资助项目（2017YFC0804103） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−13，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−13, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007; http://cje.ustb.edu.cn
2 工程科学学报，第44卷，第X期 system,in the deformation and failure analysis were introduced.The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock,the numerical analysis method,and the applicable conditions were summarized.The variation characteristics of the rock's mechanical parameters under high temperature were briefly described.Finally,the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out.The future prospects were discussed from several aspects,i.e.,to explore the mechanism of rock thermal damage in a multi-scale and multi-field-phase,and the evolution law of rock thermal damage was systematically analyzed from macro,meso,and micro aspects. KEY WORDS high temperature rock mass;thermal damage;failure mechanism:coupling model;thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 岩石处于收缩状态且产生拉应力.岩石拉应力过 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹.裂 关重要.随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 必须向地球深部进军山习近平总书记在全国科 自身的强度和性质.在超深钻探时可以利用岩石 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 成井壁塌孔和破裂.此外，在地热开发过程中，将 需求 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 深部资源开采等深部工程日渐兴盛.俄罗斯科拉 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 超深钻孔深度为12262m,库页岛的Odoptu-11油 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 井深度为12345m(世界最深).中国锦屏地下实验 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率.同 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 2400m,是目前世界岩石覆盖最深的实验室.中国 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为560m 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采 左右的高放废物处置地下实验室.目前，开采深度 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 最大的矿山在南非，开采深度已达4350m,已探明 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 矿体延到6000m以下.我国三分之一以上的地下 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 金属矿山未来十年内开采深度将超过1000m,最 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 大的开采深度可达到2000~3000m.超深井钻探 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理：地下储 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 库进行低温处理：核废料具有高放射性，释放的热 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 量会使岩体温度升高.深部矿山开采过程中通常 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 其能够安全高效运行 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 1高温岩石物理力学特性试验研究 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力.美国加利 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 福尼亚理工学院四通过对加利福尼亚Brawley和 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 C0S0地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 的演化进程.国内外的众多学者开展了一系列的 发地震活动的影响.结果发现，在地热开采过程 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 起着重要作用.深部地下空间建设过程中都涉及 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时. 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究 岩体热损伤问题仍是研究的热点 1.1岩石热损伤物理特性变化 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的
system, in the deformation and failure analysis were introduced. The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock, the numerical analysis method, and the applicable conditions were summarized. The variation characteristics of the rock’s mechanical parameters under high temperature were briefly described. Finally, the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out. The future prospects were discussed from several aspects, i.e., to explore the mechanism of rock thermal damage in a multi-scale and multi-field-phase, and the evolution law of rock thermal damage was systematically analyzed from macro, meso, and micro aspects. KEY WORDS high temperature rock mass；thermal damage；failure mechanism；coupling model；thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 关重要. 随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 必须向地球深部进军[1] . 习近平总书记在全国科 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 需求. 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 深部资源开采等深部工程日渐兴盛. 俄罗斯科拉 超深钻孔深度为 12262 m，库页岛的 Odoptu-11 油 井深度为 12345 m（世界最深）. 中国锦屏地下实验 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 2400 m，是目前世界岩石覆盖最深的实验室. 中国 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为 560 m 左右的高放废物处置地下实验室. 目前，开采深度 最大的矿山在南非，开采深度已达 4350 m，已探明 矿体延到 6000 m 以下. 我国三分之一以上的地下 金属矿山未来十年内开采深度将超过 1000 m，最 大的开采深度可达到 2000～3000 m. 超深井钻探 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理；地下储 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 库进行低温处理；核废料具有高放射性，释放的热 量会使岩体温度升高. 深部矿山开采过程中通常 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力. 美国加利 福尼亚理工学院[2] 通过对加利福尼亚 Brawley 和 Coso 地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 发地震活动的影响. 结果发现，在地热开采过程 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 起着重要作用. 深部地下空间建设过程中都涉及 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时， 岩体热损伤问题仍是研究的热点. 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 岩石处于收缩状态且产生拉应力. 岩石拉应力过 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹. 裂 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 自身的强度和性质. 在超深钻探时可以利用岩石 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 成井壁塌孔和破裂. 此外，在地热开发过程中，将 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率. 同 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采. 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 其能够安全高效运行. 1 高温岩石物理力学特性试验研究 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 的演化进程. 国内外的众多学者开展了一系列的 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究. 1.1 岩石热损伤物理特性变化 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 3 精力来研究高温对岩石性质的影响.早在1979年， 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 Bauer和Johnson!)开展了高温作用下的花岗岩物 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 理温度的增大而孔隙度增大，如图1所示，孔隙度 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 对两种花岗岩物理特性的影响.Trice和Warren! 热损伤温度阈值.而Zhang等发现高温处理后 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 的Carrara大理岩渗透率在327~427℃之间显著 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 增大，但是连通性轻微减弱，认为在327~427℃ 系.张卫强阿开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 之间存在一个温度阈值 3.5 10.0 4.5 (a) (b) 3.0 4.0 (c) Rapid 9.5 Rapid 3.5 2.5 ■ 、2.0 9.0 25 1.5 Rapid 1.0 Slow Slow ■ 1.5 Slow 8.0 1.0 0.5 ◆ ◆ 0.5 ■ 0.0 7.5 0.0 100200300400500 600 0 100200300400500600 200400600800 1000 Temperature/℃ Temperature/C Temperature/C 图1岩石孔隙度随温度的变化特征(a)灰岩：(b)砂岩：(c)花岗岩 Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperaturelsl:(a)limestone;(b)sandstone;(c)granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化.靳 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 佩桦等开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 石部分熔融.而在1998年，席道瑛等选择大理 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 岩、花岗岩和砂岩进行高温(60~600℃)试验，高 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 加后急剧增加.在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 调导致岩石热破裂：在急剧冷却阶段，花岗岩再次 数和孔隙度的增大.胡建军o不仅发现灰岩波速 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 在100~500℃逐渐下降，而且发现波速下降与加 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 1996年，赵志丹等8剧开展高温高压作用后的 率增大.此外，在循环次数相同情况下，随着处理 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图2 在波速降低现象，并对该现象进行了分析.他认为 所示 a (b) 4 --Cycle time 0 Cycle time I -100℃ A-Cycle time 2 ◆200℃ Cycle time 3 Cvcle time 4 ◆一 8 Cycle time 5 500℃ 100 200 300 400 500 0 3 Temperature/C Cycle time 国2高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化()，以及随循环次数的变化(b)侧 Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a)temperature and (b)cycle time of limestone after high-temperature heat treatment
精力来研究高温对岩石性质的影响. 早在 1979 年， Bauer 和 Johnson[3] 开展了高温作用下的花岗岩物 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 对两种花岗岩物理特性的影响. Trice 和 Warren[4] 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 系. 张卫强[5] 开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理温度的增大而孔隙度增大，如图 1 所示，孔隙度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 热损伤温度阈值. 而 Zhang 等[6] 发现高温处理后 的 Carrara 大理岩渗透率在 327～427 ℃ 之间显著 增大，但是连通性轻微减弱，认为在 327～427 ℃ 之间存在一个温度阈值. 0 100 200 300 400 500 600 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (a) (b) 0 100 200 300 400 500 600 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (c) 0 200 400 600 800 1000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid 图 1 岩石孔隙度随温度的变化特征[5] . （a）灰岩；（b）砂岩；（c）花岗岩 Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperature[5] : (a) limestone; (b) sandstone; (c) granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化. 靳 佩桦等[7] 开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 加后急剧增加. 在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 调导致岩石热破裂；在急剧冷却阶段，花岗岩再次 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加. 1996 年，赵志丹等[8] 开展高温高压作用后的 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 在波速降低现象，并对该现象进行了分析. 他认为 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 石部分熔融. 而在 1998 年，席道瑛等[9] 选择大理 岩、花岗岩和砂岩进行高温（60～600 ℃）试验，高 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 数和孔隙度的增大. 胡建军[10] 不仅发现灰岩波速 在 100～500 ℃ 逐渐下降，而且发现波速下降与加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 率增大. 此外，在循环次数相同情况下，随着处理 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图 2 所示. 100 200 300 400 500 1 2 3 4 5 Temperature/℃ Cycle time 0 Cycle time 1 Cycle time 2 Cycle time 3 Cycle time 4 Cycle time 5 P-wave velocity/(km·s−1 ) (a) 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Cycle time 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ P-wave velocity/(km·s−1 ) (b) 图 2 高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化（a），以及随循环次数的变化（b） [10] Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a) temperature and (b) cycle time of limestone after high-temperature heat treatment[10] 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 除了对岩石热损伤后的渗透率和波速随温度 随着试验设备的革新，关于热损伤对岩石力 变化特性研究以外，Aurangzeb等山开展岩石热损 学特性的研究，国内外学者根据加热方式的不同 伤理论研究，提出不同温度作用下的岩石导热系 又分为实时高温和高温作用后的岩石力学性质研 数、比热容和热扩散系数预测模型，然后通过瞬态 究.Oda采用实时加热方式，研究了不同温度作 平面热源法对灰岩进行导热系数、比热容和热扩 用下岩石的杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、单 散系数测试，结果表明预测模型与实测数据基本 轴抗拉强度和断裂韧性等力学性质，并对力学参 符合，误差在8%以内.对岩石导热系数的准确评 数随温度变化规律进行分析，揭示岩石热损伤破 估对于高放废物处置库的设计和规划是很有必要 坏机理.许锡昌啊同样采用实时加热的方式，对 的.同时，由于持续的热荷载，围岩体热交换界面 三峡花岗岩力学参数进行测试，测试结果显示花岗 可能会发生热损伤，这样会降低围岩的导热系数 岩弹性模量和单轴抗压强度随温度(20~600℃) 因此，弄清楚高温下围岩体的导热系数对于设计 的增加而减少，并且在75℃和200℃发生大幅度 高放废物处置库至关重要 变化，认为75℃和200℃为岩石试样的温度阈 国内外学者普遍认为，对于深部地下岩石热 值.Yang等161开展了室温~800℃高温处理的砂 损伤问题，主要是由微裂纹的生长驱动的，这进一 岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值 步导致岩石在宏观尺度上的物理性质的退化.综 在400~500℃.而砂岩在300℃时峰值强度和弹 合分析以上试验结果，可以看出岩石热损伤后形 性模量最大，泊松比随温度升高的变化曲线在 成的微裂纹是如何改变岩石质量、体积、孔隙率、 600℃时出现转折，呈现先降低后增加的趋势.苏 渗透率和纵波波速的，这些研究为热损伤岩石的 承东等7-11分别对高温作用(100~900℃)后粗砂 物理特性演化提供了有意义的结论， 岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗 1.2岩石热损伤力学特性变化 砂岩来讲，500℃为拐点会出现力学参数的突变， 1970年以来，国内外学者通过理论和试验的 在细砂岩力学实验研究中，600℃为细砂岩力学 方法研究了岩石热损伤对岩石自身力学性质的影 性能改变的阈值温度.力学参数是从宏观角度表 响.目前已有一些学者在此方面取得了一定成果 征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件 温度变化主要通过对岩石弹性模量、泊松比和抗 数为依据进行统计，二者相辅相成.武晋文等 压强度的影响从而改变岩石的力学性质.热损伤 在力学试验的同时采用声发射设备进行监测岩石 的温度阈值不仅体现在岩石物理特性，温度阈值 破坏过程，通过声发射数据发现330℃是花岗岩 同样存在于其他力学参数，张静华等通过花岗 热破裂性质转变的温度阈值，依据声发射得出的 岩断裂试验和单轴压缩试验，发现断裂韧度在随 温度阈值要低于力学参数拐点处温度阈值.花岗 温度升高过程中存在门槛温度200℃.张连英等] 岩的失稳形式受温度的影响，通过对高温花岗岩 开展室温到800℃的石灰岩基本力学参数试验，发 单轴压缩试验，得出温度较低时岩石试样突变失 现弹性模量和峰值应力在600℃时会快速下降，认 稳，高温导致的岩石失稳存在一个渐进过程.岩石 为600℃是灰岩力学参数的温度阈值，如图3所示 赋存深度不同，受到的围岩影响也不尽相同， 150 Kumari等2o]开展高温、高压共同作用下的花岗岩 力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并 120 且围压对岩石力学性质的影响要大于温度效应 万志军等2四开展了花岗岩在高温三轴应力下的变 形和破坏特征研究，通过试验发现花岗岩在高温 高压下的变形分为低温缓慢变形段、中高温快速 变形段和高温平缓变形段.在高温条件下，破坏形 式为典型的剪切破坏：而在高温和高压条件下，破 --Elastic modulus ●-Peak stress 坏形式向延性转化，如图4所示.高温高压条件 0100200300400500600700800 下，砂岩在围压为20MPa、温度为400℃时杨氏 Temperature/C 模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨 图3石灰岩弹性模量和峰值应力随温度变化闯 Fig.3 Variation of the elastic modulus and peak stress of limestone with 氏模量和峰值强度会降低四 temperaturels 此外，表1总结了前人在不同冷却方式下高温花
除了对岩石热损伤后的渗透率和波速随温度 变化特性研究以外，Aurangzeb 等[11] 开展岩石热损 伤理论研究，提出不同温度作用下的岩石导热系 数、比热容和热扩散系数预测模型，然后通过瞬态 平面热源法对灰岩进行导热系数、比热容和热扩 散系数测试，结果表明预测模型与实测数据基本 符合，误差在 8% 以内. 对岩石导热系数的准确评 估对于高放废物处置库的设计和规划是很有必要 的. 同时，由于持续的热荷载，围岩体热交换界面 可能会发生热损伤，这样会降低围岩的导热系数. 因此，弄清楚高温下围岩体的导热系数对于设计 高放废物处置库至关重要. 国内外学者普遍认为，对于深部地下岩石热 损伤问题，主要是由微裂纹的生长驱动的，这进一 步导致岩石在宏观尺度上的物理性质的退化. 综 合分析以上试验结果，可以看出岩石热损伤后形 成的微裂纹是如何改变岩石质量、体积、孔隙率、 渗透率和纵波波速的，这些研究为热损伤岩石的 物理特性演化提供了有意义的结论. 1.2 岩石热损伤力学特性变化 1970 年以来，国内外学者通过理论和试验的 方法研究了岩石热损伤对岩石自身力学性质的影 响. 目前已有一些学者在此方面取得了一定成果. 温度变化主要通过对岩石弹性模量、泊松比和抗 压强度的影响从而改变岩石的力学性质. 热损伤 的温度阈值不仅体现在岩石物理特性，温度阈值 同样存在于其他力学参数，张静华等[12] 通过花岗 岩断裂试验和单轴压缩试验，发现断裂韧度在随 温度升高过程中存在门槛温度 200 ℃. 张连英等[13] 开展室温到 800 ℃ 的石灰岩基本力学参数试验，发 现弹性模量和峰值应力在 600 ℃ 时会快速下降，认 为 600 ℃ 是灰岩力学参数的温度阈值，如图 3 所示. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 4 8 12 16 20 Elastic modulus/GPa Temperature/℃ Elastic modulus 0 30 60 90 120 150 Peak stress Peak stress/MPa 图 3 石灰岩弹性模量和峰值应力随温度变化[13] Fig.3 Variation of the elastic modulus and peak stress of limestone with temperature[13] 随着试验设备的革新，关于热损伤对岩石力 学特性的研究，国内外学者根据加热方式的不同 又分为实时高温和高温作用后的岩石力学性质研 究. Oda[14] 采用实时加热方式，研究了不同温度作 用下岩石的杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、单 轴抗拉强度和断裂韧性等力学性质，并对力学参 数随温度变化规律进行分析，揭示岩石热损伤破 坏机理. 许锡昌[15] 同样采用实时加热的方式，对 三峡花岗岩力学参数进行测试，测试结果显示花岗 岩弹性模量和单轴抗压强度随温度 (20～600 ℃) 的增加而减少，并且在 75 ℃ 和 200 ℃ 发生大幅度 变化，认为 75 ℃ 和 200 ℃ 为岩石试样的温度阈 值. Yang 等[16] 开展了室温～800 ℃ 高温处理的砂 岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值 在 400～500 ℃. 而砂岩在 300 ℃ 时峰值强度和弹 性模量最大，泊松比随温度升高的变化曲线在 600 ℃ 时出现转折，呈现先降低后增加的趋势. 苏 承东等[17−18] 分别对高温作用（100～900 ℃）后粗砂 岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗 砂岩来讲，500 ℃ 为拐点会出现力学参数的突变， 在细砂岩力学实验研究中，600 ℃ 为细砂岩力学 性能改变的阈值温度. 力学参数是从宏观角度表 征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件 数为依据进行统计，二者相辅相成. 武晋文等[19] 在力学试验的同时采用声发射设备进行监测岩石 破坏过程，通过声发射数据发现 330 ℃ 是花岗岩 热破裂性质转变的温度阈值，依据声发射得出的 温度阈值要低于力学参数拐点处温度阈值. 花岗 岩的失稳形式受温度的影响，通过对高温花岗岩 单轴压缩试验，得出温度较低时岩石试样突变失 稳，高温导致的岩石失稳存在一个渐进过程. 岩石 赋存深度不同 ，受到的围岩影响也不尽相同 ， Kumari 等[20] 开展高温、高压共同作用下的花岗岩 力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并 且围压对岩石力学性质的影响要大于温度效应. 万志军等[21] 开展了花岗岩在高温三轴应力下的变 形和破坏特征研究，通过试验发现花岗岩在高温 高压下的变形分为低温缓慢变形段、中高温快速 变形段和高温平缓变形段. 在高温条件下，破坏形 式为典型的剪切破坏；而在高温和高压条件下，破 坏形式向延性转化，如图 4 所示. 高温高压条件 下，砂岩在围压为 20 MPa、温度为 400 ℃ 时杨氏 模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨 氏模量和峰值强度会降低[22] . 此外，表 1 总结了前人在不同冷却方式下高温花 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 5 (a) (b) 花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨 损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷 却可以提高花岗岩的可钻性.Zhang等2通过对 加热和快速冷却处理后的花岗岩样品进行超声波 脉冲速度试验、三轴压缩试验，结果表明，热处理 使花岗岩的物理力学性能明显恶化，快速冷却导 致试样产生大量的微裂纹，使矿物颗粒变弱.朱振 国4花岗岩破坏特征(600℃).(a)全貌：(b)局部 南等采用遇水冷却后的高温花岗岩为研究对 Fig.4 Failure features of the granite sample subjected to a temperature 象，结合力学试验和SEM电镜观察，得出单轴抗 of 600 C2:(a)whole;(b)part 压强度和弹性模量随温度升高而减小，岩石在温 岗岩力学性质变化的研究，综述了冷却方式不同 度超过300℃时变现出明显的塑性，同时出现宏 导致花岗岩力学参数变化规律不同.韩观胜等2] 观微裂纹萌发、扩展和贯通现象.郤保平等叨利 采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力 用自制热冲击破裂试验台（图5）开展了不同高温 学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷 状态花岗岩进行遇水冷却后的力学特性研究，结 却方式的岩石试样应力-应变曲线的压密阶段缩 果表明遇水冷却会导致岩石内部发生热破裂或者 短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变.随着 热冲击现象，剧烈的热冲击导致岩石力学性能出 处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先 现劣化，波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模 降低后增大.喻勇等4以不同温度遇水冷却后的 量随热处理温度的升高逐渐减小 表1高温作用下岩石力学参数变化规律汇总表阔 Table I Summary of changes in the mechanical parameters of the rock subjected to high temperature Heating temperature/C Cooling method Uniaxial compressive strength Elastic modulus Peak strain Poisson ratio References 20-800 Cooling in furnace Decrease generally Decrease generally Increase generally Decrease generally Reference [29] 20-800 Cooling in furnace Decrease Decrease Reference [30] 20-800 Cooling in air Decrease Decrease Decrease Reference [31] 25-1300 Cooling in air Decrease Decrease Reference [32] 20-1000 Cooling in furnace Decrease Decrease Increase Reference [33] 23-800 Cooling in air/water Decrease generally Increase-decrease Decrease-Increase Reference [34] 25-500 (5℃min') Decrease Increase-decrease Reference [35] 25-800 Cooling in furnace Decrease Decrease Decrease generally Reference [36] 25-800 Cooling in air Increase-decrease Increase-decrease Increase Nearly constant Reference [37] 20-800 Cooling in furnace/water Decrease Decrease Increase generally Reference [38] 25-900 Cooling in water Increase-decrease Increase-decrease Increase generally Fluctuate Reference [39] 25-1000 Cooling in air/water Decrease generally Decrease generally Increase generally Increase generally Reference [40] 中矿物颗粒会发生一系列的脱水、相变以及膨胀变 形的变化，不协调的膨胀变形在矿物颗粒之间形成 热应力，热应力具有非线性演化特征.通过热力耦合 作用下的岩体力学特性演化规律研究，以期揭示热 损伤岩石的变形破坏机理，对温度作用下的地下深 图5岩石热冲击破裂试验台四 部岩体工程围岩强度及稳定分析具有重要意义. Fig.5 Rock thermal shock test benchz 2 岩石热破裂微观机理研究 基于上述试验研究，充分体现了温度荷载对岩 石宏观力学特性的重要影响.随着温度的升高，岩石 国内外学者通过宏观试验手段对高温下后岩石
岗岩力学性质变化的研究，综述了冷却方式不同 导致花岗岩力学参数变化规律不同. 韩观胜等[23] 采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力 学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷 却方式的岩石试样应力−应变曲线的压密阶段缩 短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变. 随着 处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先 降低后增大. 喻勇等[24] 以不同温度遇水冷却后的 花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨 损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷 却可以提高花岗岩的可钻性. Zhang 等[25] 通过对 加热和快速冷却处理后的花岗岩样品进行超声波 脉冲速度试验、三轴压缩试验，结果表明，热处理 使花岗岩的物理力学性能明显恶化，快速冷却导 致试样产生大量的微裂纹，使矿物颗粒变弱. 朱振 南等[26] 采用遇水冷却后的高温花岗岩为研究对 象，结合力学试验和 SEM 电镜观察，得出单轴抗 压强度和弹性模量随温度升高而减小，岩石在温 度超过 300 ℃ 时变现出明显的塑性，同时出现宏 观微裂纹萌发、扩展和贯通现象. 郤保平等[27] 利 用自制热冲击破裂试验台（图 5）开展了不同高温 状态花岗岩进行遇水冷却后的力学特性研究，结 果表明遇水冷却会导致岩石内部发生热破裂或者 热冲击现象，剧烈的热冲击导致岩石力学性能出 现劣化，波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模 量随热处理温度的升高逐渐减小. 表 1 高温作用下岩石力学参数变化规律汇总表[28] Table 1 Summary of changes in the mechanical parameters of the rock subjected to high temperature[28] Heating temperature/℃ Cooling method Uniaxial compressive strength Elastic modulus Peak strain Poisson ratio References 20-800 Cooling in furnace Decrease generally Decrease generally Increase generally Decrease generallyReference [29] 20−800 Cooling in furnace Decrease Decrease Reference [30] 20−800 Cooling in air Decrease Decrease Decrease Reference [31] 25−1300 Cooling in air Decrease Decrease Reference [32] 20−1000 Cooling in furnace Decrease Decrease Increase Reference [33] 23−800 Cooling in air/water Decrease generally Increase-decrease Decrease - Increase Reference [34] 25−500 （5 ℃·min−1） Decrease Increase-decrease Reference [35] 25−800 Cooling in furnace Decrease Decrease Decrease generally Reference [36] 25−800 Cooling in air Increase-decrease Increase-decrease Increase Nearly constant Reference [37] 20−800 Cooling in furnace/water Decrease Decrease Increase generally Reference [38] 25−900 Cooling in water Increase-decrease Increase-decrease Increase generally Fluctuate Reference [39] 25−1000 Cooling in air/water Decrease generally Decrease generally Increase generally Increase generally Reference [40] 图 5 岩石热冲击破裂试验台[27] Fig.5 Rock thermal shock test bench[27] 基于上述试验研究，充分体现了温度荷载对岩 石宏观力学特性的重要影响. 随着温度的升高，岩石 中矿物颗粒会发生一系列的脱水、相变以及膨胀变 形的变化，不协调的膨胀变形在矿物颗粒之间形成 热应力，热应力具有非线性演化特征. 通过热力耦合 作用下的岩体力学特性演化规律研究，以期揭示热 损伤岩石的变形破坏机理，对温度作用下的地下深 部岩体工程围岩强度及稳定分析具有重要意义. 2 岩石热破裂微观机理研究 国内外学者通过宏观试验手段对高温下/后岩石 (a) (b) 图 4 花岗岩破坏特征（600 ℃）[22] . （a）全貌；（b）局部 Fig.4 Failure features of the granite sample subjected to a temperature of 600 ℃[22] : (a) whole; (b) part 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 5 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 的物理力学性质开展了大量研究.在微观结构方面， 主要是使用显微电子计算机断层扫描技术(CT)、扫 描电子显微镜(SEM)、光学电子显微镜和核磁共振成 像分析仪(NMR)等设备对岩石微裂纹演化进行研究 早在20世纪60年代，Bieniawski已经系统 地论述了岩石脆性破裂的机制，之后又有许多相 困6彭水页岩微观结构图可.(a)50℃：(b)500℃ 关学者以揭示岩石破裂由微观到宏观的发展过 Fig.6 SEM photographs of Pengshui shale(a)50C:(b)500C 程为目的做了大量的实验和理论研究工作，使关 成影响.吴晓东等1借助扫描电镜观察岩石矿物 于岩石力学方面的研究趋势逐渐由宏观向微观、 由定性描述向定量分析转变.在发展过程中， 颗粒晶间裂纹在不同温度下的发育程度，认为600℃ Hallbaucr等把作用过不同的应力水平的岩石试 时品间裂缝发有明显，800℃时品内裂缝和穿品 件制成薄片，通过光学显微镜进行观察，得出岩石 裂缝形成了交叉裂缝网络 微裂纹随应力水平的增大先随机分散分布而后在 岩石受到热损伤的宏观表现为微裂纹萌生以 窄带集中分布，最后贯通形成宏观断裂带的结论 及发育的过程，通过试验分析微裂纹在不同温度 随后，扫描电镜(SEM)设备被引入岩石热损 下的发育程度判别岩石受到损伤程度.左建平等 伤的研究，通过扫描电镜对热损伤岩石表面进行 借助SM研究温度-拉应力共同作用下砂岩破坏 观察，对比分析不同温度作用下热破裂程度，同时 的断口形貌.研究发现：随着温度的升高，砂岩的 国内外学者借助扫描电镜试验研究陆续发表了多 断裂机制由局部脆性为主向局部脆性和局部延性 项岩石微破裂方面的成果.谢卫红等4)通过高温 混合断裂机制转变，如图7所示.偏光显微技术在 疲劳试验机与扫描电镜相结合的方法对石灰岩的 研究不同温度作用下的微观结构方面发挥了重要 热损伤机制进行研究，研究发现以500℃为拐点， 作用，从机理上揭示了宏观岩石力学参量的变化 超过拐点后由于岩石内部结构发生变化导致岩石 特征.为了探究岩石结构热应力的成因，借助光学 力学强度大幅度减小.通过岩石力学演化特征，建 显微镜观测不同温度作用下的两种石英岩微观结 立岩石裂纹生长模型，姜崇喜和谢强在大理岩 构，石英岩中矿物非均质性会引起结构热应力，从 试样进行单轴压缩的过程中利用扫描电镜(SEM) 而导致岩石强度降低.赵亚永等0采用偏光显微 对试样细观变形和强度特性进行实时、动态的观 镜、扫描电子显微镜和热分析仪等方法研究了鹤 察，监测了岩石试样细观结构对裂纹起裂和发育 壁砂岩在1200℃内不同温度段的微观结构变化， 过程的影响情况，描述了试样细观破坏过程与宏 研究结果发现：在不同温度阶段微裂纹表现形式 观力学特性的响应关系.岩石微结构中的矿物成 不同，随着温度的增加裂纹数量相应增加 分和不同成分的排列组合情况都会对岩石宏观特 (a) (b) 性造成影响.尚嘉兰等以香港花岗岩为研究对 象，利用电子显微镜观察岩石微结构及晶胞的排 列组合，研究结果表明：微裂纹的形成、扩展、发 育以及贯通成宏观裂纹的每一步都受到岩石微结 构的影响.Wu和Thomsen!4)通过对比Westerly花 岗岩在单轴压缩蠕变实验中的微破裂事件累积数 (c) Crackinitiation 1 (d) 和偏光显微镜下的微裂纹数，发现在后者观察到 Grackimmaton2 的裂纹比前者微破裂事件数要少.姜广辉7采用 多种试验手段，获得不同类型岩石物理性质随温 度变化规律，并结合扫描电镜直观观测结果（图6）， Cradk initiaton2 综合全面地分析岩石受热后微观结构的演化规 律，发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小，且 图7高温疲劳作用下的砂岩断口图网.(a)150℃：(b)200℃：(c)200 分布更加集中 ℃：(d)300℃ 矿物颗粒之间的品间裂纹和矿物相变同样影 Fig.7 Fracturing of sandstone under high temperature fatiguel:(a)150 响着岩石微观结构，进而对岩石物理力学特征造 ℃，(b)200℃，(c)200℃：(d)300℃
的物理力学性质开展了大量研究. 在微观结构方面， 主要是使用显微电子计算机断层扫描技术 (CT)、扫 描电子显微镜 (SEM)、光学电子显微镜和核磁共振成 像分析仪（NMR）等设备对岩石微裂纹演化进行研究. 早在 20 世纪 60 年代，Bieniawski[41] 已经系统 地论述了岩石脆性破裂的机制，之后又有许多相 关学者以揭示岩石破裂由微观到宏观的发展过 程为目的做了大量的实验和理论研究工作，使关 于岩石力学方面的研究趋势逐渐由宏观向微观、 由定性描述向定量分析转变. 在发展过程中 ， Hallbaucr 等[42] 把作用过不同的应力水平的岩石试 件制成薄片，通过光学显微镜进行观察，得出岩石 微裂纹随应力水平的增大先随机分散分布而后在 窄带集中分布，最后贯通形成宏观断裂带的结论. 随后，扫描电镜（SEM）设备被引入岩石热损 伤的研究，通过扫描电镜对热损伤岩石表面进行 观察，对比分析不同温度作用下热破裂程度，同时 国内外学者借助扫描电镜试验研究陆续发表了多 项岩石微破裂方面的成果. 谢卫红等[43] 通过高温 疲劳试验机与扫描电镜相结合的方法对石灰岩的 热损伤机制进行研究，研究发现以 500 ℃ 为拐点， 超过拐点后由于岩石内部结构发生变化导致岩石 力学强度大幅度减小. 通过岩石力学演化特征，建 立岩石裂纹生长模型，姜崇喜和谢强[44] 在大理岩 试样进行单轴压缩的过程中利用扫描电镜（SEM） 对试样细观变形和强度特性进行实时、动态的观 察，监测了岩石试样细观结构对裂纹起裂和发育 过程的影响情况，描述了试样细观破坏过程与宏 观力学特性的响应关系. 岩石微结构中的矿物成 分和不同成分的排列组合情况都会对岩石宏观特 性造成影响. 尚嘉兰等[45] 以香港花岗岩为研究对 象，利用电子显微镜观察岩石微结构及晶胞的排 列组合，研究结果表明：微裂纹的形成、扩展、发 育以及贯通成宏观裂纹的每一步都受到岩石微结 构的影响. Wu 和 Thomsen[46] 通过对比 Westerly 花 岗岩在单轴压缩蠕变实验中的微破裂事件累积数 和偏光显微镜下的微裂纹数，发现在后者观察到 的裂纹比前者微破裂事件数要少. 姜广辉[47] 采用 多种试验手段，获得不同类型岩石物理性质随温 度变化规律，并结合扫描电镜直观观测结果（图 6）， 综合全面地分析岩石受热后微观结构的演化规 律，发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小，且 分布更加集中. 矿物颗粒之间的晶间裂纹和矿物相变同样影 响着岩石微观结构，进而对岩石物理力学特征造 成影响. 吴晓东等[48] 借助扫描电镜观察岩石矿物 颗粒晶间裂纹在不同温度下的发育程度，认为 600 ℃ 时晶间裂缝发育明显，800 ℃ 时晶内裂缝和穿晶 裂缝形成了交叉裂缝网络. 岩石受到热损伤的宏观表现为微裂纹萌生以 及发育的过程，通过试验分析微裂纹在不同温度 下的发育程度判别岩石受到损伤程度. 左建平等[49] 借助 SEM 研究温度−拉应力共同作用下砂岩破坏 的断口形貌. 研究发现：随着温度的升高，砂岩的 断裂机制由局部脆性为主向局部脆性和局部延性 混合断裂机制转变，如图 7 所示. 偏光显微技术在 研究不同温度作用下的微观结构方面发挥了重要 作用，从机理上揭示了宏观岩石力学参量的变化 特征. 为了探究岩石结构热应力的成因，借助光学 显微镜观测不同温度作用下的两种石英岩微观结 构，石英岩中矿物非均质性会引起结构热应力，从 而导致岩石强度降低. 赵亚永等[50] 采用偏光显微 镜、扫描电子显微镜和热分析仪等方法研究了鹤 壁砂岩在 1200 ℃ 内不同温度段的微观结构变化， 研究结果发现：在不同温度阶段微裂纹表现形式 不同，随着温度的增加裂纹数量相应增加. 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm Crack initiation Crack initiation Crack initiation 1 Crack initiation 1 Crack initiation 2 Crack initiation 2 Crack initiation 4 Crack initiation 3 Crack initiation 3 (a) (b) (c) (d) 图 7 高温疲劳作用下的砂岩断口图[49] . （a）150 ℃；（b）200 ℃；（c）200 ℃；（d）300 ℃ Fig.7 Fracturing of sandstone under high temperature fatigue[49] : (a) 150 ℃; (b) 200 ℃; (c) 200 ℃；(d) 300 ℃ (a) (b) 10 μm 10 μm 图 6 彭水页岩微观结构图[47] . （a）50 ℃；（b）500 ℃ Fig.6 SEM photographs of Pengshui shale[47] : (a) 50 ℃；(b) 500 ℃ · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 7 此外，还有学者通过扫描X射线衍射(XRD)、 岩单轴抗压强度和泊松比随温度变化的拟合公 压汞法(MIP)和电子显微镜(SEM)等试验方法讨 式，刘泉声和许锡昌5阿通过引入热损伤的概念， 论了温度对岩石物相、微孔分布和断口形貌的影 建立了热损伤随温度变化的演化方程，见式(1)和 响51-5列在热应力的作用下微裂纹的类型受矿物 (2),并得到用损伤表示的弹性模量演化公式，见 的颗粒类型、粒径大小、排列方式、胶结类型的影 式(3).姚梦迪57以三类岩石的室内力学试验数据 响.大多数研究通过建立热裂纹的生长损伤模型， 为依据，从声发射的角度进行定义并且考虑裂纹 分析岩石热损伤变形的破坏机制，揭示岩石宏观 闭合效应建立了损伤耦合模型，见式(4) 物理力学特性演化规律.随着核磁成像技术、偏 D(T)=1-ET/Eo (1) 光显微镜等新的辅助设备的运用，结合数理统计 D(T)=bo+bT+b2T2 (2) 的方法，运用新的力学理论对热损伤岩石微观结 ET Eo[1-D(T)] (3) 构破坏机理进行更深层次的研究 3岩石热力耦合损伤模型研究 1-2+l-e)≤o (4) 在深部地下岩土工程中，大多数遇到的是多场耦 w1=1-yN E(s1-Ecc),E1>80 合的复杂问题，尤其需要研究温度场和应力场的耦合 式中，D(T)为不同温度作用下的热损伤，ET不同 作用.通过分析热损伤岩石力学特性演化规律，定义 温度作用下的岩石试样弹性模量，Eo为室温下岩 一种合适的方法来描述响应岩石损伤的应力应变关 系，对于地下深部岩石工程的设计和安全评估具有重 石试样的弹性模量，bo、b1和b2为材料参数.e1为 要意义.常规热力耦合模型没有考虑岩石延性对热应 轴向应变，1为轴向偏应力，E为岩石试样的弹性 力的影响，这主要是因为常规理论假设导热系数、热 模量，N、Nm分别为该应力状态和整个压缩过程中 膨胀系数、弹性模量、泊松比、抗压抗拉强度、孔隙 的声发射累积振铃计数，Vm、n和y为拟合参数， 度和渗透率都是常数，不随温度升高而改变.图8反 o为闭合应力所对应的的横坐标值，ec为弹性阶 映了热力耦合过程中热物理参数随温度变化的相互 段反向延长线与横坐标的交点横坐标. 作用网在研究岩石的变形、强度以及损伤等力学性 朱广元等]为了研究核废料处置库围岩在不 质时，除了可以从试验角度对其进行规律性的探索 同温度下的蠕变损伤特性，以花岗岩为研究对象 外，更重要的是能够从理论角度建立热力耦合损伤模 进行20~300℃的单轴抗压蠕变试验，在整个蠕 型.自1986年损伤力学被应用到岩石材料的损伤分 变损伤过程中温度起到了加速作用.以西原模型 析中以来，岩石损伤耦合模型的建立得到了快速发展 为基础，引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的 蠕变损伤变量，建立了考虑温度效应的花岗岩蠕 变损伤本构模型关系式，见式(5) Rock change heat conduction Thermal deformation transport Change thermal stress E(I-D)+E2 (I-D (1-),(as) damage (5) oaiilr 式中，和σ分别为岩石轴向应变和轴向应力， O为岩石屈服应力，DT、D。为瞬时热损伤变量、蠕 Change thermal conductivity 变损伤变量，E、E2为西原模型中元件1和元件 Rock porosity and specific heat Thermal and conductivity 2的弹性模量，1为蠕变损伤破坏时间，1为牛顿黏 permeability Change thermal stress coefficient specific heat 性系数 困8岩石热力耦合损伤过程5倒 岩石可视为典型的双重孔隙介质，包含“固 Fig.Process of rock damage under thermomechanical coupling 体”空间（即矿物基质）和“空隙”空间（裂缝和孔隙 在2000年，许锡昌和刘泉声s阿开展了花岗岩 组)，具有一定的非均匀性.唐世斌等网在原有岩 (20~600℃)的主要力学参数变化研究，得到花岗 石热力耦合损伤模型基础上，提出充分考虑岩石
此外，还有学者通过扫描 X 射线衍射（XRD）、 压汞法（MIP）和电子显微镜（SEM）等试验方法讨 论了温度对岩石物相、微孔分布和断口形貌的影 响[51−53] . 在热应力的作用下微裂纹的类型受矿物 的颗粒类型、粒径大小、排列方式、胶结类型的影 响. 大多数研究通过建立热裂纹的生长损伤模型， 分析岩石热损伤变形的破坏机制，揭示岩石宏观 物理力学特性演化规律. 随着核磁成像技术、偏 光显微镜等新的辅助设备的运用，结合数理统计 的方法，运用新的力学理论对热损伤岩石微观结 构破坏机理进行更深层次的研究. 3 岩石热力耦合损伤模型研究 在深部地下岩土工程中，大多数遇到的是多场耦 合的复杂问题，尤其需要研究温度场和应力场的耦合 作用. 通过分析热损伤岩石力学特性演化规律，定义 一种合适的方法来描述响应岩石损伤的应力应变关 系，对于地下深部岩石工程的设计和安全评估具有重 要意义. 常规热力耦合模型没有考虑岩石延性对热应 力的影响，这主要是因为常规理论假设导热系数、热 膨胀系数、弹性模量、泊松比、抗压/抗拉强度、孔隙 度和渗透率都是常数，不随温度升高而改变. 图 8 反 映了热力耦合过程中热物理参数随温度变化的相互 作用[54] . 在研究岩石的变形、强度以及损伤等力学性 质时，除了可以从试验角度对其进行规律性的探索 外，更重要的是能够从理论角度建立热力耦合损伤模 型. 自 1986 年损伤力学被应用到岩石材料的损伤分 析中以来，岩石损伤耦合模型的建立得到了快速发展. Rock dcformation change heat conduction Change thermal stress Change thermal conductivity and specific heat Change thermal stress coefficient Rock porosity and permeability Change porosity and permeability Change thermal stress Change heat conduction Change thermal conductivity and soecific heat Thermal damage Thermal transport Thermal conductivity specific heat 图 8 岩石热力耦合损伤过程[54] Fig.8 Process of rock damage under thermomechanical coupling[54] 在 2000 年，许锡昌和刘泉声[55] 开展了花岗岩 （20～600 ℃）的主要力学参数变化研究，得到花岗 岩单轴抗压强度和泊松比随温度变化的拟合公 式. 刘泉声和许锡昌[56] 通过引入热损伤的概念， 建立了热损伤随温度变化的演化方程，见式（1）和 （2），并得到用损伤表示的弹性模量演化公式，见 式（3）. 姚梦迪[57] 以三类岩石的室内力学试验数据 为依据，从声发射的角度进行定义并且考虑裂纹 闭合效应建立了损伤耦合模型，见式（4）. D(T) = 1− ET/E0 （1） D(T) = b0 +b1T +b2T 2 （2） ET = E0 [1− D(T)] （3） ε1 = σ1 E +Vm ( 1−e − σ1 n ) ,ε1 ⩽ ε0 σ1 = ( 1−γ N Nm ) E (ε1 −εcc),ε1 > ε0 （4） 式中，D（T）为不同温度作用下的热损伤，ET 不同 温度作用下的岩石试样弹性模量，E0 为室温下岩 石试样的弹性模量，b0、b1 和 b2 为材料参数. ε1 为 轴向应变，σ1 为轴向偏应力，E 为岩石试样的弹性 模量，N、Nm 分别为该应力状态和整个压缩过程中 的声发射累积振铃计数，Vm、n 和 γ 为拟合参数， ε0 为闭合应力所对应的的横坐标值，εcc 为弹性阶 段反向延长线与横坐标的交点横坐标. 朱广元等[58] 为了研究核废料处置库围岩在不 同温度下的蠕变损伤特性，以花岗岩为研究对象 进行 20～300 ℃ 的单轴抗压蠕变试验，在整个蠕 变损伤过程中温度起到了加速作用. 以西原模型 为基础，引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的 蠕变损伤变量，建立了考虑温度效应的花岗岩蠕 变损伤本构模型关系式，见式（5）. ε = σ E1 (1− DT) + σ E2 (1− Dc) ( 1−e −E2t/η2 ) ,(σ σs) （5） 式中 ， ε 和 σ 分别为岩石轴向应变和轴向应力 ， σs 为岩石屈服应力，DT、Dc 为瞬时热损伤变量、蠕 变损伤变量，E1、E2 为西原模型中元件 1 和元件 2 的弹性模量，t 为蠕变损伤破坏时间，η 为牛顿黏 性系数. 岩石可视为典型的双重孔隙介质，包含“固 体”空间（即矿物基质）和“空隙”空间（裂缝和孔隙 组），具有一定的非均匀性. 唐世斌等[59] 在原有岩 石热力耦合损伤模型基础上，提出充分考虑岩石 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 7 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 的非均匀性，建立了热力耦合模型，见式(6) 4岩石热损伤数值模拟研究 AEkk+2Gsij-BAToij,(s<Sc0) 针对岩石热损伤问题的探讨，数值分析方法 （eu+2G6-BAT6),(e≥E0） (6) sEo 具有较广泛的适用性，能够模拟岩体的复杂力学 式中，1为拉梅常数，G为剪切模量，B为热应力系 与结构特性，并对工程围岩进行应力、位移的监 数，△T为温度变化量，和为外荷载引起的应 测，成为解决岩石热损伤问题的有效工具之一，目 力和应变项，6“为材料本身的应变，O剪切损伤 前岩石力学数值分析方法主要分为三大类：基于 残余强度，e。压应变的弹性极限，Eo为室温下岩 连续介质力学的方法，基于非连续介质力学的方 石试样的弹性模量，d,为Kronecker函数 法和基于连续、非连续介质力学共性的方法.连 谢卫红等60采用连续损伤力学的方法，研究 续介质力学方法主要为：有限元方法、边界元方法、 岩石在温度发生变化时的热损伤问题，基于能量 有限差分法和加权余量法等.非连续介质方法主 的理论建立了岩石热损伤破坏准则.徐小丽6]在 要为：离散单元法、刚体元法和不连续变形分析法 西原体模型基础上，考虑了温度对岩石弹性、黏性 等.连续、非连续力学共性方法主要为：流形法[6啊 和损伤的综合影响，建立了岩石热损伤粘弹塑性 对于岩石热损伤问题，要考虑岩石的非线性 本构方程式.张志镇等6②通过对花岗岩进行实时 问题以及热应力作用下各种矿物介质分界面、不 高温加载和高温冷却后加载的单轴压缩试验，对 连续面及其微裂纹扩展过程和围岩体温度场变化 岩石物理力学特性随温度的演化规律进行探究， 过程，与此同时还应根据试验岩石赋存环境和工 首先提出了热-力耦合因子的概念，并建立了一维 程因素影响的变化，确定用于数值分析的力学参 非线性耦合模型 数.有限元法基于最小总势能变分原理，能更方便 针对硬岩的热损伤研究，高美奔6开展了热 的处理各种非线性问题.离散元法既能模拟受力 力耦合作用下的硬岩力学试验研究，假设微元体 状态下块体的运动，又能模拟块体本身的受力变 强度服从Weibull分布，引入Drucker-Prager准则 形状态.因此本节重点归纳国内外学者采用的有 作为岩石微元体破坏判据，建立了硬岩热损伤演 限元方法和离散元方法数值分析方法 化方程.李宏国等6例开展不同温度作用下的大理 有限元数值分析方法在岩石热损伤问题中得 岩单轴和常规三轴试验，认为Mogi-Coulomb强度 到广泛应用.2006年，杨天鸿等67从岩石细观结 准则能更好的判断高温作用后的大理岩破环强 构出发，初步建立了热-水-岩(THM)耦合数值模 度.李天斌等6基于现有的岩石劣化耦合模型， 型，将该模型用于模拟岩石在温度-渗流-应力耦 引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager 合作用下的应力变化和破坏状态，为从细观损伤 屈服准则和残余强度修正系数，建立了考虑岩石 演化角度揭示岩石热损伤破坏机制提供了一种数 起裂应力的损伤耦合模型.通过对硬脆性云母 值分析工具.2008年，唐世斌等681利用热-力耦合 花岗岩进行力学试验结果分析，验证了损伤耦合 模型，通过真实破裂过程分析(Realistic failure 模型 process analysis,.RFPA)软件模拟陶瓷材料在热冲 在岩土工程中，岩石是由多种矿物成分组成 击作用下裂纹萌发、扩展到贯通的过程.模拟结 的含有微裂隙和微孔隙的天然材料.岩石内部的 果与实验结果相一致，证明了该模拟方法的有效 宏观裂纹在温度作用下对整个岩石失稳起着重要 性.接着Tang等69又运用有限元数值分析方法研 的作用.为研究含缺陷岩石的热损伤问题，以含缺 究了高温岩石在降温冲击作用下的裂纹发育过 陷岩石为研究对象，首先利用理论公式推导出缺 程，同时还讨论了岩石导热系数对脆性岩石开裂 陷花岗岩发生热破裂时的临界应力，分析热弹性 模式对的影响，近一步验证了数值模拟是研究岩 比能在岩石热损伤过程中的演化方程.这些模型 石热损伤行为的一个有力工具.张帆0则是通过 解释了高温作用后岩石损伤的试验现象，但都假 有限元软件ANSYS软件对高温岩石冷冲击过程 设岩石的弹性模量和强度服从热膨胀的损伤规 进行模拟，得到冲击过程中岩石温度场和应力场 律，而岩石在受到温度冲击作用时更容易发生热 的变化.有学者认为岩石的热损伤问题是多场耦 破裂现象.目前无论是力学模型还是数值模型都 合问题，既要考虑岩石力学特性的变化，还要重视 没有很好地解释高温岩石在温度冲击过程中峰值 岩石导热特性的变化.为此，近年来有学者采用多 应变和峰值强度的非比例变化机制 物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对自然环
的非均匀性，建立了热力耦合模型，见式（6）. σi j = λεkk +2Gεi j −β∆Tδi j,(ε < εc0) σcr εE0 ( λεkk +2Gεi j −β∆Tδi j) ,(ε ⩾ εc0) （6） 式中，λ 为拉梅常数，G 为剪切模量，β 为热应力系 数，∆T 为温度变化量，σij 和 εij 为外荷载引起的应 力和应变项，εkk 为材料本身的应变，σcr 剪切损伤 残余强度，εco 压应变的弹性极限，E0 为室温下岩 石试样的弹性模量，δij 为 Kronecker 函数. 谢卫红等[60] 采用连续损伤力学的方法，研究 岩石在温度发生变化时的热损伤问题，基于能量 的理论建立了岩石热损伤破坏准则. 徐小丽[61] 在 西原体模型基础上，考虑了温度对岩石弹性、黏性 和损伤的综合影响，建立了岩石热损伤粘弹塑性 本构方程式. 张志镇等[62] 通过对花岗岩进行实时 高温加载和高温冷却后加载的单轴压缩试验，对 岩石物理力学特性随温度的演化规律进行探究， 首先提出了热−力耦合因子的概念，并建立了一维 非线性耦合模型. 针对硬岩的热损伤研究，高美奔[63] 开展了热 力耦合作用下的硬岩力学试验研究，假设微元体 强度服从 Weibull 分布，引入 Drucker-Prager 准则 作为岩石微元体破坏判据，建立了硬岩热损伤演 化方程. 李宏国等[64] 开展不同温度作用下的大理 岩单轴和常规三轴试验，认为 Mogi-Coulomb 强度 准则能更好的判断高温作用后的大理岩破坏强 度. 李天斌等[65] 基于现有的岩石劣化耦合模型， 引入三参量 Weibull 分布、热损伤、Drucker-Prager 屈服准则和残余强度修正系数，建立了考虑岩石 起裂应力的损伤耦合模型. 通过对硬脆性云母 花岗岩进行力学试验结果分析，验证了损伤耦合 模型. 在岩土工程中，岩石是由多种矿物成分组成 的含有微裂隙和微孔隙的天然材料. 岩石内部的 宏观裂纹在温度作用下对整个岩石失稳起着重要 的作用. 为研究含缺陷岩石的热损伤问题，以含缺 陷岩石为研究对象，首先利用理论公式推导出缺 陷花岗岩发生热破裂时的临界应力，分析热弹性 比能在岩石热损伤过程中的演化方程. 这些模型 解释了高温作用后岩石损伤的试验现象，但都假 设岩石的弹性模量和强度服从热膨胀的损伤规 律，而岩石在受到温度冲击作用时更容易发生热 破裂现象. 目前无论是力学模型还是数值模型都 没有很好地解释高温岩石在温度冲击过程中峰值 应变和峰值强度的非比例变化机制. 4 岩石热损伤数值模拟研究 针对岩石热损伤问题的探讨，数值分析方法 具有较广泛的适用性，能够模拟岩体的复杂力学 与结构特性，并对工程围岩进行应力、位移的监 测，成为解决岩石热损伤问题的有效工具之一. 目 前岩石力学数值分析方法主要分为三大类：基于 连续介质力学的方法，基于非连续介质力学的方 法和基于连续、非连续介质力学共性的方法. 连 续介质力学方法主要为：有限元方法、边界元方法、 有限差分法和加权余量法等. 非连续介质方法主 要为：离散单元法、刚体元法和不连续变形分析法 等. 连续、非连续力学共性方法主要为：流形法[66] . 对于岩石热损伤问题，要考虑岩石的非线性 问题以及热应力作用下各种矿物介质分界面、不 连续面及其微裂纹扩展过程和围岩体温度场变化 过程，与此同时还应根据试验岩石赋存环境和工 程因素影响的变化，确定用于数值分析的力学参 数. 有限元法基于最小总势能变分原理，能更方便 的处理各种非线性问题. 离散元法既能模拟受力 状态下块体的运动，又能模拟块体本身的受力变 形状态. 因此本节重点归纳国内外学者采用的有 限元方法和离散元方法数值分析方法. 有限元数值分析方法在岩石热损伤问题中得 到广泛应用. 2006 年，杨天鸿等[67] 从岩石细观结 构出发，初步建立了热−水−岩（THM）耦合数值模 型，将该模型用于模拟岩石在温度−渗流−应力耦 合作用下的应力变化和破坏状态，为从细观损伤 演化角度揭示岩石热损伤破坏机制提供了一种数 值分析工具. 2008 年，唐世斌等[68] 利用热−力耦合 模型 ，通过真实破裂过程分析 （ Realistic failure process analysis, RFPA）软件模拟陶瓷材料在热冲 击作用下裂纹萌发、扩展到贯通的过程. 模拟结 果与实验结果相一致，证明了该模拟方法的有效 性. 接着 Tang 等[69] 又运用有限元数值分析方法研 究了高温岩石在降温冲击作用下的裂纹发育过 程，同时还讨论了岩石导热系数对脆性岩石开裂 模式对的影响，近一步验证了数值模拟是研究岩 石热损伤行为的一个有力工具. 张帆[70] 则是通过 有限元软件 ANSYS 软件对高温岩石冷冲击过程 进行模拟，得到冲击过程中岩石温度场和应力场 的变化. 有学者认为岩石的热损伤问题是多场耦 合问题，既要考虑岩石力学特性的变化，还要重视 岩石导热特性的变化. 为此，近年来有学者采用多 物理场仿真软件 COMSOL Multiphysics 对自然环 · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 9 境发生变化的高温岩石破坏过程进行模拟，熊贵 题，在物理力学特性、微观结构破裂、变形破坏机 明等四基于传热学原理，以水、液态二氧化碳和 理及数值分析等方面开展了大量的研究，取得了 液氨为冷却介质，应用COMSOL Multiphysics对不 丰富的科研成果.岩石热损伤机制是深部地球开 同温度的花岗岩进行热冲击试验模拟，得到热冲 发领域研究的热点，也是深部地热资源开采工程 击过程中岩石温度场分布规律.另外，Yang等四 的难点，需要科研工作者在前人的研究基础上不 采用全耦合近场动力学对热循环处理后的花岗岩 断探索 热-力破裂行为进行模拟，通过瞬态热传导和裂纹 基于以上四个方面的研究成果，在岩石热力 扩展检验了数值收敛性和校准了模拟参数， 耦合损伤机制和破裂模式研究中仍存在以下几点 目前，离散元数值分析方法多采用颗粒流程序 局限性：(1)在岩石热损伤研究领域，多集中在高 (Partical flow code,.PFC),PFC可以构建不同概率分 温岩石强度和变形特性研究，而岩石力学行为损 布的岩石颗粒模型，可以解决岩石不均质和不连续 伤机理的解释尚不清楚，尤其缺乏利用宏观物理 面问题.岩石材料是由微观颗粒组成，微观颗粒的 力学演化规律-细观裂隙发育路径一微观矿物结构 变形和颗粒之间的接触界面变化可以影响岩石的 变化的研究手段进行多尺度、系统地揭示岩石热 宏观物理力学行为.李雪1依靠离散元数值分析方 损伤机制研究.(2)对岩石热损伤力学行为的研究 法将裂隙花岗岩在温度和应力共同作用下的岩石 多以温度为变量，仅考虑不同温度产生的热膨胀 试样局部应变强化带应力分布和微裂隙扩展路径 现象，未能全面考虑冷却过程引起的多物理场特 进行模拟，揭示了微裂纹萌发一扩展一贯通形成断 性变化，对高温花岗岩在不同冷却条件下的强度 裂的机理.李玮枢4基于P℉C离散元数值模拟方 与破裂模式尚不能很好的阐述.(3)热损伤岩石在 法，对高温花岗岩遇水冷却过程中岩石温度场变 应力-应变关系上表现出非线性特征，经典的破坏 化、颗粒接触力变化和裂纹演化规律进行监测，探 准则难以描述其变化规律，尤其是当温度发生急 讨了高温花岗岩遇水冷却的损伤机制.Xu等阿利 剧变化时引起的力学性质劣化，目前缺乏适用于 用P℉C数值模拟方法研究在热力耦合作用下岩体 温度冲击下的非线性岩石损伤本构模型，影响了 强度和微裂纹的发展，结果表明，在一定温度范围 数值分析的准确性和可靠性.(4)现有的岩石热损 内(40~90℃)，温度的升高会加剧花岗岩的脆性破 伤数值分析多以岩石试样为研究对象进行不同温 坏，当温度为130℃时有热裂纹出现，峰值强度和 度条件下的微裂纹演化规律研究，对考虑温度影 应变开始明显变小.Zhao%采用PFC模拟热损伤 响下的地热开采岩体微裂纹诱发微地震行为的研 花岗岩的微裂纹演化为宏观裂纹的过程，阐明了高 究较少，热应力诱发地震作用的研究有待深入 温会降低岩石抗压和抗拉强度的机制.热损伤岩石 6 结论与展望 强度降低的主要原因是热应力的增加和拉伸微裂 纹的产生，而微裂纹的产生是由温度梯度的存在所 针对温度作用下岩石热损伤问题，通过系统 致，温度梯度越大微裂纹越明显.由此可见，冷却方 梳理国内外相关研究成果，从高温岩石物理力学 式对于高温岩石物理力学特性的变化是有影响的， 特性、热力耦合损伤模型、热破裂细观机理及岩 目前对于这方面的研究还待补充 石热损伤数值分析四个方面进行了分析和总结， 上述数值分析方法和模拟软件在岩石热损伤 并指出了现有研究存在的一些局限性，获得了一 研究中可以得到比较接近岩石在热力耦合作用下 些新的认识.为了突破当前研究存在的局限性并 的实际结果，但这些方法和软件并不具有普适性. 适应未来深部地下工程的发展，岩石热损伤研究 针对不同的岩石热损伤工程问题，他们仍具有一 需要进一步深入，从而能够建立较为完善的理论 定的局限性.但通过综合每种软件的优点，可以达 体系，指导工程实践. 到分析不同的热损伤问题的目的.对于岩石微观 (1)从热力耦合作用下岩石热损伤的物理力 结构的分析可以采用离散元数值分析方法，而大 学特性、微观结构变化、变形破坏机制及数值分 尺寸的工程岩体失稳模拟需要采用连续介质的有 析等方面综述了热力耦合热损伤岩石研究的现 限元分析方法 状，系统地总结了高温处理和温变条件下岩石变 形、强度及微观结构的演化规律.重点分析了深 5存在的局限性 部岩石材料在热力耦合条件下岩体结构及相关物 国内外学者们围绕热力耦合岩石热损伤问 理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射
境发生变化的高温岩石破坏过程进行模拟，熊贵 明等[71] 基于传热学原理，以水、液态二氧化碳和 液氮为冷却介质，应用 COMSOL Multiphysics 对不 同温度的花岗岩进行热冲击试验模拟，得到热冲 击过程中岩石温度场分布规律. 另外，Yang 等[72] 采用全耦合近场动力学对热循环处理后的花岗岩 热−力破裂行为进行模拟，通过瞬态热传导和裂纹 扩展检验了数值收敛性和校准了模拟参数. 目前，离散元数值分析方法多采用颗粒流程序 （Partical flow code, PFC），PFC 可以构建不同概率分 布的岩石颗粒模型，可以解决岩石不均质和不连续 面问题. 岩石材料是由微观颗粒组成，微观颗粒的 变形和颗粒之间的接触界面变化可以影响岩石的 宏观物理力学行为. 李雪[73] 依靠离散元数值分析方 法将裂隙花岗岩在温度和应力共同作用下的岩石 试样局部应变强化带应力分布和微裂隙扩展路径 进行模拟，揭示了微裂纹萌发—扩展—贯通形成断 裂的机理. 李玮枢[74] 基于 PFC 离散元数值模拟方 法，对高温花岗岩遇水冷却过程中岩石温度场变 化、颗粒接触力变化和裂纹演化规律进行监测，探 讨了高温花岗岩遇水冷却的损伤机制. Xu 等[75] 利 用 PFC 数值模拟方法研究在热力耦合作用下岩体 强度和微裂纹的发展，结果表明，在一定温度范围 内 (40～90 ℃)，温度的升高会加剧花岗岩的脆性破 坏，当温度为 130 ℃ 时有热裂纹出现，峰值强度和 应变开始明显变小. Zhao[76] 采用 PFC 模拟热损伤 花岗岩的微裂纹演化为宏观裂纹的过程，阐明了高 温会降低岩石抗压和抗拉强度的机制. 热损伤岩石 强度降低的主要原因是热应力的增加和拉伸微裂 纹的产生，而微裂纹的产生是由温度梯度的存在所 致，温度梯度越大微裂纹越明显. 由此可见，冷却方 式对于高温岩石物理力学特性的变化是有影响的， 目前对于这方面的研究还待补充. 上述数值分析方法和模拟软件在岩石热损伤 研究中可以得到比较接近岩石在热力耦合作用下 的实际结果，但这些方法和软件并不具有普适性. 针对不同的岩石热损伤工程问题，他们仍具有一 定的局限性. 但通过综合每种软件的优点，可以达 到分析不同的热损伤问题的目的. 对于岩石微观 结构的分析可以采用离散元数值分析方法，而大 尺寸的工程岩体失稳模拟需要采用连续介质的有 限元分析方法. 5 存在的局限性 国内外学者们围绕热力耦合岩石热损伤问 题，在物理力学特性、微观结构破裂、变形破坏机 理及数值分析等方面开展了大量的研究，取得了 丰富的科研成果. 岩石热损伤机制是深部地球开 发领域研究的热点，也是深部地热资源开采工程 的难点，需要科研工作者在前人的研究基础上不 断探索. 基于以上四个方面的研究成果，在岩石热力 耦合损伤机制和破裂模式研究中仍存在以下几点 局限性：（1）在岩石热损伤研究领域，多集中在高 温岩石强度和变形特性研究，而岩石力学行为损 伤机理的解释尚不清楚，尤其缺乏利用宏观物理 力学演化规律−细观裂隙发育路径−微观矿物结构 变化的研究手段进行多尺度、系统地揭示岩石热 损伤机制研究. （2）对岩石热损伤力学行为的研究 多以温度为变量，仅考虑不同温度产生的热膨胀 现象，未能全面考虑冷却过程引起的多物理场特 性变化，对高温花岗岩在不同冷却条件下的强度 与破裂模式尚不能很好的阐述. （3）热损伤岩石在 应力−应变关系上表现出非线性特征，经典的破坏 准则难以描述其变化规律，尤其是当温度发生急 剧变化时引起的力学性质劣化，目前缺乏适用于 温度冲击下的非线性岩石损伤本构模型，影响了 数值分析的准确性和可靠性. （4）现有的岩石热损 伤数值分析多以岩石试样为研究对象进行不同温 度条件下的微裂纹演化规律研究，对考虑温度影 响下的地热开采岩体微裂纹诱发微地震行为的研 究较少，热应力诱发地震作用的研究有待深入. 6 结论与展望 针对温度作用下岩石热损伤问题，通过系统 梳理国内外相关研究成果，从高温岩石物理力学 特性、热力耦合损伤模型、热破裂细观机理及岩 石热损伤数值分析四个方面进行了分析和总结， 并指出了现有研究存在的一些局限性，获得了一 些新的认识. 为了突破当前研究存在的局限性并 适应未来深部地下工程的发展，岩石热损伤研究 需要进一步深入，从而能够建立较为完善的理论 体系，指导工程实践. （1）从热力耦合作用下岩石热损伤的物理力 学特性、微观结构变化、变形破坏机制及数值分 析等方面综述了热力耦合热损伤岩石研究的现 状，系统地总结了高温处理和温变条件下岩石变 形、强度及微观结构的演化规律. 重点分析了深 部岩石材料在热力耦合条件下岩体结构及相关物 理场探测技术的最新研究成果 ，梳理了声发射 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 9 ·